芝麻秸秆纤维素纳米晶-壳聚糖-纳米氧化锌复合食品包装膜的制备和表征

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芝麻是一种广泛栽培的油料作物,但芝麻秸秆并没有得到有效利用,将芝麻秸秆作为一种纤维素来源,研究制备纤维素纳米晶,以提高芝麻资源的综合利用率。纤维素纳米晶是一种新型天然大分子材料,具有高表面积、高强度,含有大量表面羟基等特点,可以作为材料填充剂增强复合材料强度。壳聚糖膜在食品包装中已有广泛的研究,但是单一的壳聚糖膜机械强度差,透水率高,为了改善这些特性,向其中加入纤维素纳米晶和抑菌剂纳米氧化锌,制备具有较高机械强度的抑菌食品包装膜,研究内容和结果如下:以芝麻秸秆为原料,通过粉碎、碱解,漂白后得到纤维素,对硫酸水解条件进行优化,发现在酸浓度64%,水解时间3 h的条件下成功制备了芝麻秸秆纤维素纳米晶(CNC)。CNC在场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)和透射电子显微镜(TEM)图片中均为长度在200~300 nm之间,宽度为20~30 nm之间的棒状结构,长径比为10,动态光散射(DLS)分析显示CNC的平均粒径在257 nm,表面电位为-47.97 mV。CNC在水中有着良好的稳定性,且在制备过程中保持了纤维素主链的化学结构。CNC的结晶度高达95.86%,是晶型结构为纤维素Ⅰ型的天然纤维素。利用CNC和壳聚糖(CH)、纳米氧化锌(ZnO)通过溶剂浇铸法制备了CNC-CHZnO复合膜。扫描电子显微镜(SEM)结果表明复合膜的表面形态受添加物质量的影响,CNC添加量较低时会在成膜过程中形成团聚体,提高CNC添加量会增加膜表面的粗糙程度,形成水波状纹理。ZnO和CNC的加入降低了复合膜的含水量、水溶解性、水蒸气透过率,同时增加了不透明度、总色差、白度,更低的透水率和更高的不透明度说明添加物有利于增加食品包装的阻隔性。物性测定结果显示当CNC的添加量为6%时的复合膜的拉伸强度和断裂伸长率最高。傅里叶变换红外光谱(FT-IR)结果表明三种组分之间形成氢键,这也是膜强度提高的原因。差示量热扫描(DSC)曲线证明ZnO和CNC的加入均提高了复合膜的热稳定性。CNC添加量为6%的复合膜玻璃化转变温度为79℃,熔融温度为137℃,热重(TGA)曲线表明CNC添加量为6%的复合膜重量损失最低,为69.49%。抑菌圈试验证明复合膜对常见的食源性致病菌大肠杆菌和金黄色葡萄球菌有着良好的抑制作用。
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